扎龙湿地景观格局与气候变化1)

沃晓棠 孙彦坤 田松岩

(东北农业大学，哈尔滨，150030) (黑龙江省森林工程与环境研究所)

湿地生态系统被称为“地球之肾”和“物种的基因库”，是地球上具有众多效益、重要保护和利用价值的生态系统［1］。近几十年来，越来越多的证据表明，全球气候正逐步变暖［2－4］。气候变暖使区域气温升高，湿地蓄水量减少，湿地生态系统功能显著下降，甚至导致湿地的消失，因此，探讨湿地生态系统的变化过程对于保护与恢复湿地具有重要意义。扎龙湿地地处气候变化敏感区，是我国最大的以鹤类等大型水禽为主的珍稀鸟类和湿地生态类型的国家级自然保护区，1992年被列入国际重要湿地名录［5－6］。随着全球环境变化研究的深入，扎龙湿地已成为研究的热点之一。

近年来，一些学者对扎龙湿地生态系统进行了相关研究，佟守正等［7］探讨了近20 a 来扎龙湿地生态系统的变化过程。袁力等［8］在RS 和GIS 技术支持下研究了1995—2004年扎龙湿地的土地利用时空演变。王昊等［9］分析了近40 a 气候变化对湿地蒸散耗水产生的影响。潘林等［10］研究了扎龙湿地苔藓群落土壤动物生态特征，捕获土壤动物22类、7 384 只。LI Xiufen et al.［11］利用1998—2011年SPOT/VGT 逐旬最大合成ND，V，I(归一化植被指数)资料和研究区周边5 个气象站点气象数据，分析了不同植被类型ND，V，I的变化趋势及其与气象因子的相关关系。以上研究多集中于土地利用、植被、土壤、水文等方面，对于气候变暖背景下扎龙湿地土地利用景观动态系统研究尚较缺乏，特别是在较大时间尺度上定量分析扎龙湿地土地利用景观格局动态变化对气候变化的影响与响应的研究报道较少。为此，本研究对扎龙湿地近50 a 气候变化趋势及土地利用与土地覆盖空间格局、组合特征与动态变化情况进行了系统分析，旨在探寻气候变化和人类活动相叠加对扎龙湿地造成的影响，为扎龙湿地可持续发展的合理规划与决策提供科学依据。

1 研究区概况

扎龙湿地是以芦苇沼泽为主的内陆湿地和水域生态系统型的自然保护区，位于黑龙江省西部乌裕尔河下游，齐齐哈尔市、林甸县和杜尔伯特蒙古族自治县交界地，总面积约2 100 km2。地理坐标为46°52' ～47°32'N，123°47' ～124°37'E，属寒温带大陆性季风气候，年均温1.3 ℃，气温年较差40 ℃，年内降水分配不均匀，多集中在6—9月份。土壤类型为盐化沼泽土，土地盐渍化比较普遍［11］。植被资源以草原草甸、湿草甸、沼泽、水生植被为主，主要有东方蓼(Polygonum orientale)、东北石竹(Dianthus chinensis)、垂梗繁缕(Stellaria radians)、木地肤(Kochia prostrata)、苹(Marsilea quadrifolia)、地肤(Kochia scoparia)、问荆(Equisetum arvense)、狐尾蓼(Polygonum alopecuroides)、麻顺荨麻(Urtica cannabina)、狭叶荨麻(Urtica angustifolia)、扁蓄蓼(Polygonum aviculare)、狗尾草(Setaria viridis)、水葱(Scirpus tabernaemontani)、芦苇(Phragmites communis)。动物资源主要以鸟类为主，世界上现存鹤类15 种，中国有9 种，而扎龙就有6 种，鹤类主要有丹顶鹤(Grus japonesis)、白鹤(Grus iecugeranus)、白头鹤(Grus monacha)等［12－13］。

2 研究方法

土地利用与景观格局分析方法:应用监督与非监督分类相结合方法将沼泽地分为耕地、沼泽地、草地、湖泊、裸地，基于3S 技术平台，提取土地利用数量动态数据，采用单一土地利用动态度指标进行土地利用变化分析，其计算公式为:

式中:K 为T 时段内某种土地利用类型动态度;Ua和Ub分别为研究期初和期末某种土地利用类型的数量;T 为研究时段长度。应用重心迁移模型探讨土地利用空间动态特征。将解译后遥感图像转为ArcGrid 格式，运用景观格局分析软件FRAGSTATS 3.3，从斑块级别、类型级别和景观级别提取景观指数，即斑块数量(NP)、研究区域总面积(CA)、单位面积上斑块数(NP/CA)、最大斑块指数(LP，I)、景观面积百分比(PL，A，N，D)、景观多样性指数(SH，D，I)、景观均匀度指数(SH，E，I)、面积周长比分维数(PA，F)、景观形状指数(LS，I)，选择依据和指数含义见参考文献［14］—［16］。

气候变化分析方法:以黑龙江省气象局整编的杜蒙、泰来、林甸3 个气象观测站逐日气象资料(1960—2010年)为基本数据源，选取的气象要素主要包括年平均气温、年最低气温、年最高气温、≥10℃积温、年降水量、年均相对湿度，采用线性趋势拟合与5 a 滑动平均方法探讨气象时间序列的年际变化特征。

气候变化与土地利用景观格局相关性分析方法:建立扎龙湿地气候变化与土地利用景观格局动态相关性分析因子体系，应用典型相关分析方法选择有代表性的气候变化及土地利用景观格局线性组合(典型因子)，应用周期方差外推法分别从两组典型因子中提取准周期成分及残差序列，采用t 检验法探讨扎龙湿地气候变化与土地利用景观格局动态典型因子之间周期分量及趋势分量的相关性(置信度大于95%，P ＜0.05)。

3 结果与分析

3.1 扎龙湿地土地利用景观格局动态

3.1.1 土地利用数量动态特征

单一土地利用动态度是指某一地区在某一时段内某种土地利用变化类型的数量变化情况，不同土地利用/覆盖类型动态度变化能反映研究区土地利用/覆被类型在研究时段内的变化幅度和变化速度［17］。20 世纪80年代(1979—1989年)扎龙湿地耕地面积增加幅度最大，达到6.51%;湖泊和沼泽面积增加幅度次之，其动态度分别为0.67% 和0.46%;草地和裸地面积以每年2.68%和1.70%的速率锐减，说明人类开荒、渔业和苇业等活动对湿地的干扰阶段已经开始，这种干扰尚处于初级阶段。20 世纪90年代(1989—1999年)扎龙湿地耕地面积变化幅度最大，其次为湖泊，动态度分别为7 .68%、5.69%，草地、裸地、沼泽地面积分别以3.88%、0.98%、0.79% 的速率减少。21 世纪初(1999—2010年)耕地的动态度为6.64%，而沼泽地面积则以每年4.87%的速率减少(表1)。说明20 世纪90年代以来耕地的扩张速度呈减小趋势。图1显示部分地区出现了退耕还草和退耕还湖，这主要是因为自从1992年扎龙湿地被列入国际重要湿地名录以来，湿地保护政策和规划得到响应，民众的湿地资源和环境保护意识在逐渐加强。扎龙湿地耕地在各研究时段内均呈增加趋势(图1)，20 世纪90年代变化幅度最大;沼泽地面积在20 世纪80年代略有增加，21世纪初减少幅度最大(动态度为－4.87%)，整个研究时段沼泽地略有萎缩;草地只在21 世纪初表现为增加，其他研究时段大幅减少;各研究时段内裸地面积均减少。

1979—2010年土地利用结构中沼泽地所占比例最大，草地比例仅在1999年略小于耕地，其他时期仅次于沼泽地，在土地利用/覆被结构中列于第二位，裸地和耕地第三。1979年和1989年裸地略占优势，1999年和2010年耕地比例超过裸地，列于第三。湖泊比例在4 期土地利用结构中均列末位，说明沼泽是扎龙湿地的基质景观类型，在研究区域占有重要地位，裸地及耕地比例正逐渐升高，表明扎龙湿地正面临湿地退化的威胁。

表1 1979—2010年扎龙湿地土地利用动态度变化

图1 1979—2010年扎龙湿地土地利用景观动态

3.1.2 土地利用空间动态特征

土地利用方式变化可造成土地利用类型的重心发生迁移，其漂移距离和方向能够反映出土地利用变化的程度和趋势。近30 a(1979—2010年)扎龙湿地湖泊向西南方向迁移，沼泽地、耕地、草地和裸地的迁移方向为东北，其中草地东北向迁移距离最远，为184.94 m，耕地迁移了56.96 m，由此表明，耕地正在向湿地东北部的高纬度地带迁移，沼泽地与草地作为湿地的基质景观类型，从其迁移方向可以推测近30 a(1979—2010年)扎龙湿地核心区在向北漂移，可以认为湿地核心区迁移趋势是区域气候变暖趋势的可能响应。

3.1.3 景观格局动态特征

表2显示，20 世纪80—90年代扎龙湿地各类景观斑块数量增加，景观斑块数量从1979年的19 394 块增加为1999年的81807 块。20 世纪末期景观破碎化程度(单位面积上的斑块数)达最高水平，斑块趋于分散和零碎，21 世纪初期，由于对湿地生态保护意识不断加强和保护政策的实施，湿地景观破碎化程度得到不断改善。

表2 扎龙湿地景观格局动态特征

研究末期与初期相比，耕地最大斑块指数与景观面积百分比有较大幅度增加，最大斑块指数从0.091 8(1979年)变为0.665 0(2010年)，景观面积百分比从1979年3.122 3 增加为2010年6.232 3，表明景观优势度呈上升趋势;与耕地变化趋势相反，草地和裸地最大斑块指数从1979年6.463 2、0.365 1变为2010年1.521 5、0.174 5，说明优势地位逐渐削弱，斑块趋向于均衡化;沼泽地景观优势度在20 世纪9 0年代末期达最高水平，最大斑块指数为25.670 1。

近30 a(1979—2010年)，扎龙湿地景观多样性与景观均匀度分别从1979年1.226 1 和0.761 8 变为2010年1.258 3 和0.781 8，景观形状指数和面积周长比分维数先上升后下降，总体变化为上升趋势。主要由于湿地景观中占据主导地位的沼泽景观类型所占比例的不断减少和其他景观类型比例的增加(图1)，导致沼泽地优势在逐渐减小，湿地景观结构在空间上趋于相对均匀分布，土地利用趋于多样化和均匀化，完整性较差，景观异质性增强，景观格局趋向复杂化。

3.2 扎龙湿地气候变化特征

近50 a(1960—2010年)，扎龙湿地年平均气温、年最低气温、最高气温和≥10 ℃积温均升高，升温率分别为0.05、0.14、0.04、7.82 ℃·a－1。扎龙湿地年增温趋势与东北20 世纪50年代末以来持续升温大背景同步。年平均气温、年最低气温和≥10℃积温的阶段性变化趋势一致，20 世纪60年代初至80年代中期处于50 a 来的低温期，80年代中期进入波动增温阶段，90年代以来增温显著，是50 a以来的最高温期。近50 a 以来，扎龙湿地年降水量总趋势减少，下降速率为0.79 mm·a－1。降水偏少期在20 世纪60年代后期—70年代和21 世纪初期。年均相对湿度呈波动下降趋势，每年下降0.03%，20 世纪80—90年代中期为偏湿期，最高值出现在1988年，除此时期外，年均相对湿度其他时段为偏干期，负距平年占该时期的68%(图2)。

图2 1960—2010年扎龙湿地气候演变及趋势

3.3 气候变化对扎龙湿地土地利用与土地覆盖动态的影响与响应

如表3所示，近30 a 扎龙湿地景观指数因子第一典型变量为耕地(景观类型指数、景观面积百分比)、沼泽地(最大斑块指数、景观类型指数、景观面积百分比)、草地(景观类型指数、景观面积百分比)、湖泊(最大斑块指数、景观类型指数、景观面积百分比)与裸地(景观类型指数、景观面积百分比)，与之相对应的气候因子为年最低气温、年最高气温、≥10 ℃积温和年均相对湿度。耕地的气候变量最大典型载荷因子为≥10 ℃积温;沼泽地、湖泊和裸地为年均相对湿度。由此推测，气候变暖引起≥10 ℃积温增加，适合农作物生长的温度范围不断扩大，这很可能是耕地数量增加趋势的响应。湿度因子是湿地沼泽、湖泊和裸地变化的关键因子，其下降趋势很可能引起湿地生态系统水文条件的变化，导致沼泽地面积减少。

趋势相关分析显示，各地类均有典型因子与年最低气温趋势分量相关性达统计显著水平(P ＜0.05)，它们是耕地景观类型指数、沼泽地最大斑块指数、草地景观类型指数、面积百分比和湖泊面积百分比、裸地景观类型指数与面积百分比。沼泽地和耕地相关性达统计显著水平的气候典型因子为≥10℃积温和年最低气温，草地为≥10 ℃积温、年最低气温与年均相对湿度。

表3 扎龙湿地土地利用景观动态变化与气候变化相关性

总相关分析显示，各地类景观因子与年最高气温、≥10 ℃积温和年相对湿度均呈正相关，裸地、草地、沼泽地景观因子与年最低气温均呈负相关。沼泽地的3 个景观指数第一典型变量(最大斑块指数、景观类型指数、景观面积百分比)和湖泊景观类型指数均与年相对湿度、年最高气温、≥10 ℃积温相关关系达极显著水平(P ＜0.01);耕地的2 个景观指数第一典型变量(景观类型指数、景观面积百分比)与年最低气温、年相对湿度、年最高气温、≥10 ℃积温相关关系达显著水平(P ＜0.05)。表3显示，沼泽地景观因子与气候因子之间有11 个相关关系达极显著水平(P ＜0.01)，湖泊与草地分别有3个与2 个相关关系达极显著水平(P ＜0.01)。

4 结论与讨论

孙万光［18］研究显示，1960—2000年扎龙湿地年平均气温显著上升，每10 a 升高0.46 ℃，20 世纪80年代湿地年降水量大幅度上升，1998年湿地年降水量达到最高峰。与以上研究结果一致，本研究中1960—2010年扎龙湿地气候变化表现为气温升高、降水量减少，气候向暖干方向发展。

袁力等［8］研究显示，扎龙湿地耕地1995—2004年的面积变化量为15.22 km2，呈现递增的趋势，草地呈现递减的趋势。1995—2004年未利用地(沼泽湿地)占据较大的优势，面积百分比大于60%。这些研究结果与本研究一致。本研究中1979—2010年土地利用结构中沼泽地所占比例最大，草地比例仅在1999年略小于耕地，其他时期仅次于沼泽地，在土地利用/覆被结构中列于第二位，裸地和耕地为第三。扎龙湿地耕地在各研究时段内均呈增加趋势，草地只在21 世纪初表现为增加，其他研究时段大幅减少，1989—2010年裸地面积呈下降趋势，说明耕地的扩张很可能来源于对草地和裸地的占用。

本研究中，1979—2010年扎龙湿地各类景观斑块数量增加，景观多样性、破碎化和景观均匀度均递增，这是由于人类活动范围的不断扩大和干扰活动的加剧，造成耕地增加，未利用地减少，土地利用趋于多样化和均匀化，景观格局趋向复杂化，这与袁力等［8］、韩敏等［19］关于扎龙湿地土地利用景观格局研究所得结果一致。韩敏等［19］在基于RS、GIS 技术的扎龙沼泽湿地景观格局变化分析中指出，受人为因素影响，1986—2002年扎龙湿地质心位置向西北偏移。本研究中作为扎龙湿地基质景观类型的沼泽地与草地的迁移方向为东北，表明近30 a(1979—2010年)扎龙湿地核心区在向北漂移，可以认为湿地核心区迁移趋势是区域气候变暖趋势的可能响应。

1979—2010年扎龙湿地沼泽地与草地呈收缩趋势，可以认为沼泽地与草地景观动态变化是气候变化在一定程度上的响应。裸地与气候变化较弱的相关关系表明，其减少很有可能是湿地境内迫于人口压力、为维持生计而大力开垦耕地、过渡放牧等行为导致的结果。以上结论表明，扎龙湿地土地利用景观格局变化是气候变化和人类活动双重影响下发生的。扎龙湿地气候变化与土地利用景观格局动态相关性分析中，沼泽地和草地面积变化与年最低气温呈负相关关系，很可能由于气候变化对植被及其覆盖区域影响的复杂性，不适合用单一的指标变化来简单评价气候变化对土地利用的影响，另一方面也可以推测人类活动的影响占据了重要地位。

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